감속비 완전 이해 — 속도 감소와 토크 증폭의 원리

감속비란?

감속비(기어비라고도 함)는 모터 축 속도 대 출력 축 속도의 비율입니다. 10:1 감속비는 모터가 10회전할 때 출력축이 1회전한다는 의미입니다.

핵심 트레이드오프: 속도 감소 = 토크 증폭 (효율 손실을 뺀)

N_출력 = N_모터 / 감속비
T_출력 = T_모터 × 감속비 × η

여기서 η = 감속기 효율 (플래니터리의 경우 보통 0.90~0.97)

왜 감속기를 추가하나?

BLDC, 스텝모터, 서보모터는 중~고속(수백~수천 RPM)에서 가장 효율적으로 동작합니다. 그런데 대부분의 산업 응용은 저속 고토크 출력(수십 RPM, 상당한 토크)이 필요합니다. 감속기가 이 간극을 메웁니다.

감속기 종류

플래니터리 감속기 (모터에 가장 많이 사용)

• 구조: 선기어가 여러 개의 플래닛 기어를 구동하고 외부 링기어와 맞물림
• 장점: 높은 토크 밀도, 동축 입출력, 낮은 백래시 (정밀급 ≤3 arcmin)
• 효율: 단당 90~97%
• 감속비 범위: 3:1~100:1 (1단: 3~10:1; 2단: 9~100:1)

웜기어 감속기

• 구조: 웜(스크류 형태)과 웜휠의 맞물림
• 장점: 대감속비(10:1~100:1) 단일 단계, 셀프락킹(역전 방지)
• 단점: 효율 낮음 (40~85%), 열 발생 많음
• 적합 용도: 셀프락킹이 필요한 문, 리프트, 컨베이어

헬리컬 기어 감속기

• 구조: 경사진 치형으로 맞물림 — 스퍼기어보다 조용하고 효율적
• 효율: 95~99%
• 적합 용도: 고속 고부하, 소음 최소화 필요

적정 감속비 계산

감속비 = 모터 정격 RPM / 필요 출력 RPM
T_출력 = T_모터 × 감속비 × η

예시: 3,000 RPM 모터로 100 RPM 출력이 필요하고 모터 토크가 0.5 N·m, η = 0.94:

감속비 = 3,000 / 100 = 30:1
T_출력 = 0.5 × 30 × 0.94 = 14.1 N·m

모터가 정격 속도의 60~90% 범위에서 동작하도록 감속비를 선정하세요. 정격의 20%에서 운전하면 효율이 떨어지고 발열이 증가합니다.

관성 매칭 — 감속기의 숨은 효과

감속기는 모터에 반영되는 부하 관성을 감속비² 만큼 줄여줍니다. 이것은 서보 시스템 설계에서 매우 중요합니다.

J_반영 = J_부하 / 감속비²

예: 10:1 감속기 → J_부하를 100배 감소
예: 5:1 감속기 → J_부하를 25배 감소

관성비 목표: J_반영 / J_모터 ≤ 3:1 (일반 서보). 비율이 클수록 진동과 과도응답 문제가 발생합니다.

감속비 선정 실수 4가지

1. "안전을 위해" 너무 높은 감속비 선택 — 효율 낭비, 모터가 정격 속도보다 훨씬 낮게 동작합니다.
2. 백래시 무시 — 표준 플래니터리 감속기는 5~15 arcmin의 백래시가 있습니다. 위치 결정 애플리케이션에는 저백래시 사양을 지정하세요.
3. 토크 예산에서 효율 빠뜨리기 — 각 단에서 손실이 발생합니다. 토크 계산에 항상 η를 포함하세요.
4. 감속기의 래디얼/액시얼 하중 정격 초과 — 벨트나 체인 구동 출력은 감속기의 베어링 용량을 초과하는 래디얼 하중을 가합니다.